Солнечный парус

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Солнечный парус шириной 20 метров, разработанный в НАСА
Толщина солнечного паруса

Со́лнечный па́рус (также называемый световым парусом или фотонным парусом) — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.

Следует различать понятия «солнечный свет» (поток фотонов, именно он используется солнечным парусом) и «солнечный ветер» (поток элементарных частиц и ионов, который используется для полётов на электрическом парусе — другой разновидности космического паруса).

Идея полётов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру, исходившему из того, что частицы солнечного света — фотоны — имеют импульс и передают его любой освещаемой поверхности, создавая давление. Величину давления солнечного света впервые измерил русский физик Пётр Лебедев в 1900 году.

Давление солнечного света относительно мало (на Земной орбите — около 9·10−6 Н/м2) и уменьшается пропорционально квадрату расстояния от Солнца[1]. Например, общая сила, действующая на солнечный парус 800 на 800 метров, составляет около 5 ньютонов на расстоянии Земли от Солнца.[2] Солнечный парус может действовать в течение почти неограниченного периода времени, и совсем не требует расхода рабочего тела, и поэтому в некоторых случаях его использование может быть предпочтительно. Однако до настоящего времени ни один из космических аппаратов не использовал солнечный парус в качестве основного двигателя по причине крайне низкой тяги.

Физика явления

Предположим, что на неподвижное плоское идеальное зеркало массы [math]\displaystyle{ m }[/math] нормально к его поверхности падает плоская световая волна с энергией [math]\displaystyle{ W_{0} }[/math]. Обозначим энергию отражённой световой волны как [math]\displaystyle{ W_{1} }[/math], скорость, приобретённую зеркалом в результате отражения волны как [math]\displaystyle{ v }[/math]. Тогда закон сохранения энергии: [math]\displaystyle{ W_{0}+mc^{2}=W_{1}+\frac{mc^{2}}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} }[/math] и закон сохранения импульса: [math]\displaystyle{ \frac{W_{0}}{c}=-\frac{W_{1}}{c}+\frac{mv}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} }[/math]. Из этих уравнений можно получить:

[math]\displaystyle{ v=c\frac{(1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}})^{2}-1}{(1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}})^{2}+1} }[/math] (1)
[math]\displaystyle{ W_{1}=\frac{W_{0}}{1+\frac{2W_{0}}{mc^{2}}} }[/math] (2)

Отсюда следует, что коэффициент полезного действия фотонного паруса (доля энергии падающей волны, передаваемая парусу) тем больше, чем больше отношение энергии падающей волны к энергии покоя паруса. При энергии падающей волны, много большей энергии покоя зеркала [math]\displaystyle{ W_{0} \gg m c^{2} }[/math] практически вся энергия волны передаётся зеркалу.

В другом крайнем случае энергия падающей волны много меньше энергии покоя зеркала [math]\displaystyle{ W_{0} \ll mc^{2} }[/math]. В этом случае из формулы (1) получаем: [math]\displaystyle{ \frac{v}{c} \approx \frac{2 W_{0}}{mc^{2}} }[/math]. Из формулы (2) получаем:[math]\displaystyle{ \frac{\Delta W}{W_{0}} = \frac{W_{0}-W_{1}}{W_{0}} \approx \frac{2 W_{0}}{mc^{2}} }[/math]. Из этой формулы видно, что в этом случае световая волна передаёт парусу лишь ничтожную часть своей энергии[3].

Солнечный парус в проектах звездолётов

Солнечный парус на аппарате Космос 1 (модель)
Основная статья: Межзвёздный полёт § Движители на давлении электромагнитных волн

Солнечный парус и другие виды космического паруса планируется использовать в некоторых проектах звездолётов[4][5][6][7][8][9][10]. Преимуществом солнечного парусника является отсутствие топлива на борту, что позволяет увеличить полезную нагрузку по сравнению с космическим кораблём на реактивном движении. Однако концепция солнечного паруса требует лёгкого по массе и одновременно большого по площади паруса.

Недостатком солнечного парусника является зависимость ускорения от расстояния до Солнца: чем дальше от Солнца, тем меньше давление солнечного света и, тем самым, меньше ускорение паруса, а за пределами Солнечной системы давление солнечного света и, соответственно, эффективность солнечного паруса приблизится к нулю. Световое давление от Солнца довольно мало, поэтому для увеличения ускорения существуют проекты разгона солнечного парусника лазерными установками с генерирующих станций вне Земли[4][11]. Данные проекты сталкиваются с проблемой точного наведения лазеров на сверхдальних расстояниях и создания лазерных генераторов соответствующей мощности.

Джеффри Ландис  (англ.) (рус. предложил использовать солнечную батарею для передачи энергии через лазер от базовой станции на межзвёздный зонд с ионным двигателем[12][13], что даёт некоторое преимущество по сравнению с чисто космическим парусом (в настоящее время данный проект неосуществим из-за технических ограничений)[14].

Конфигурации паруса

  • Sail-design-types2.png
  • Sail-design-types3.png

Космическая регата

В 1989 году юбилейной комиссией Конгресса США в честь 500-летия открытия Америки был объявлен конкурс о выведении на орбиту нескольких солнечных парусных кораблей, разработанных в разных странах, и проведении гонки под парусами к Марсу. Весь путь планировалось пройти за 500 дней. Свои заявки на участие в конкурсе подали США, Канада, Великобритания, Италия, Китай, Япония и Советский Союз. Старт должен был состояться в 1992 году.

Претенденты на участие стали выбывать почти сразу, столкнувшись с рядом проблем технического и экономического плана. Распад Советского Союза, однако, не привёл к прекращению работы над отечественным проектом, который по мнению разработчиков, имел все шансы на победу. Но регата была отменена ввиду финансовых трудностей у юбилейной комиссии (а возможно, ввиду всей совокупности причин). Грандиозное шоу не состоялось. Однако солнечный парус российского производства был создан (единственный из всех) совместно НПО «Энергия» и ДКБА, и получил первую премию конкурса[15].

Космические аппараты, использующие солнечный парус

Советскими учёными была изобретена схема радиационно-гравитационной стабилизации космического аппарата, основанная на применении солнечного паруса[16][17]. Первое развёртывание солнечного паруса в космосе было произведено на российском корабле «Прогресс М-15» 24 февраля 1993 года в рамках проекта «Знамя-2»[18].

Знамя-2 после успешного развёртывания

Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником[источник не указан 2402 дня]. 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры[19]. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.

Сейчас в России существует консорциум «Космическая регата», который провёл несколько опытов с солнечными отражателями с целью освещения районов нефте- и газодобычи. Также существуют проекты выплавления зеркал на орбите из астероидов.

20 мая 2015 года с космодрома на мысе Канаверал первый в истории частный спутник на солнечном парусе «LightSail-1» был отправлен в тестовый полёт[20][21].

В конце декабря 2022 года космический парус ADEO (Drag Augmentation Deorbiting System) площадью 3,6 м² был впервые развёрнут из кубсата формата 1U (10x10x10 см)[22]

В культуре

  • Рассказ «Солнечный ветер[en]» (1963) писателя-фантаста Артура Чарльза Кларка, вошедший в сборник рассказов «Обмен Разумов»[23], целиком посвящён космической регате яхт, оснащенных солнечным парусом и приводимых в движение исключительно солнечным ветром. В рассказе, написанном от имени одного из участвующих в регате капитанов, перечислены яхты с различными вариантами исполнения солнечного паруса и средств стабилизации полёта. В рассказе также описывается инцидент, в ходе которого произошло столкновение двух яхт.
  • В книге Бернара Вербера «Звёздная бабочка» повествование идёт о фантастическом космическом корабле в форме бабочки с использованием фотонного паруса.
  • В сериале «Звёздный путь. Дальний космос 9» (s03e22 Explorers) коммандер Бенджамин Сиско строит корабль с солнечными парусами, чтобы доказать правдивость истории о древнем контакте баджорцев с кардассианской цивилизацией
  • В фильме «Звёздные войны: Эпизод II: Атака клонов» после битвы на Джеонозисе граф Дуку улетает на Корусант на солнечном паруснике.
  • В анимационном фильме студии Disney «Планета Сокровищ» на сёрфере, корабле и шлюпке установлены солнечные паруса, как и на других судах которые можно увидеть в порту. В игре по мотивам фильма так же присутствуют суда, использующие солнечные паруса.
  • Во вселенной Warhammer 40000 солнечными парусами оснащены корабли расы эльдар.
  • Одна из серий мультсерий Смешарики: Пин-код (спин-оффа мультсериала Смешарики), а именно - двадцатая серия "Солнечный бриз" - посвящена теме солнечного паруса
  • В третьем сезоне сериала «Ради Всего Человечества» американский пилотируемый марсианский корабль «Соджернер-1» оснащён, помимо ядерных двигателей, солнечными парусами.

См. также

Примечания

  1. ↑ A. Bolonkin. High Speed AB-Solar Sail (англ.). — 2007. — arXiv:physics/0701073.
  2. ↑ Jerome Wright (1992), Space Sailing, Gordon and Breach Science Publishers 
  3. ↑ Бутиков Е. И., Быков А. А., Кондратьев А. С. Физика в примерах и задачах // М.: Наука. — 1989. — С. 443. — ISBN 5-02-014057-0
  4. ↑ 4,0 4,1 Форвард: Путешествие к звездам на энергетическом луче. Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 6 ноября 2017 года.
  5. ↑ Роберт Л. Форвард К звездам на острие луча. Дата обращения: 14 ноября 2017. Архивировано 6 ноября 2017 года.
  6. ↑ Ч. Дэнфорт Под парусом в протонном ветре. Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 31 октября 2017 года.
  7. ↑ Jones, E. A Manned Interstellar Vessel Using Microwave Propulsion: A Dysonship (англ.) // Journal of the British Interplanetary Society. — 1985. — Vol. 38. — P. 270−273. Архивировано 15 ноября 2017 года.
  8. ↑ Грегори Мэтлофф, Юджин Малов. Звездолеты на солнечных парусах: клипера галактики. Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 7 января 2018 года.
  9. ↑ Ден Спиз, Роберт Зубрин. Ультратонкие солнечные паруса для межзвездного путешествия. Дата обращения: 13 ноября 2017. Архивировано 15 ноября 2017 года.
  10. ↑ Interstellar Migration and the Human Experience Paperback — January 1, 1985 by Ben R Finney (Author), Eric M Jones (Author). Дата обращения: 14 ноября 2017. Архивировано 4 апреля 2016 года.
  11. ↑ Лэндис: Малый межзвездный зонд, разгоняемый лазером. go2starss.narod.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 16 октября 2017 года.
  12. ↑ Laser-Powered Interstellar Probe. scholar.google.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017.
  13. ↑ Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe Архивировано 22 июля 2012 года. on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web Архивная копия от 15 сентября 2013 на Wayback Machine
  14. ↑ Лендис. Межзвездный ионный зонд, снабжаемый энергией по лазерному лучу. go2starss.narod.ru. Дата обращения: 27 сентября 2017. Архивировано 27 сентября 2017 года.
  15. ↑ Нина БАВИНА. Космоса тогда не было…. Дата обращения: 25 мая 2011. Архивировано 13 октября 2011 года.
  16. ↑ Гурко О. В., Слабкий Л. И. Использование силовых влияний гравитационного и светового полей Солнца для ориентации космических аппаратов — В кн: «Искусственные спутники земли», вып. 16 — М. : Из-во АН СССР, 1963, 34-45.. Дата обращения: 3 октября 2017. Архивировано 27 мая 2022 года.
  17. ↑ Поляхова Е. Н. «Космический полёт солнечным парусом: проблемы и перспективы», М., Изд. «Наука», Глав. ред. физ-мат. литературы, 1986 г. 304 л.
  18. ↑ Гудилин В. Е., Слабкий Л. И. Космические грузовые корабли «Прогресс», «Прогресс-М» и их модификации // Ракетно-космические системы (История. Развитие. Перспективы). — М., 1996. — 326 с. Архивная копия от 10 декабря 2012 на Wayback Machine
  19. ↑ Сайт проекта «ИКАРОС» Архивная копия от 22 июля 2010 на Wayback Machine (англ.)
  20. ↑ Blastoff! X-37B Space Plane and LightSail Solar Sail Go Into Orbit (англ.), NBC News. Архивировано 28 сентября 2017 года. Дата обращения 27 сентября 2017.
  21. ↑ Королёв Владимир. На всех парусах. nplus1.ru (22 мая 2015). Дата обращения: 30 мая 2015. Архивировано 19 июня 2015 года.
  22. ↑ Космический парус ADEO успешно прошел испытания // AstroNews, 2 февраля 2023.
  23. ↑ С Земли на небеса // Обмен разумов / Михаил Гребенюк. — Ташкент: Ёш гвардия, 1989. — С. 238—256. — 464 с. — 400 000 экз. — ISBN 5-633-00221-0.

Литература

  • Эльясберг П. Е. Введение в теорию полёта искусственных спутников Земли. — М., 1965.

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Солнечный_парус&oldid=18365335